LG植物胶处理剂的研究与应用：国内外研究现状与发展趋势

§1.2　国内外研究现状及发展趋势

近年来，国内能源供应形势越来越紧张，钻探工作量逐渐增大。与此同时，孔内事故尤其是因钻井液护壁堵漏引发的事故频繁发生。钻井液工艺技术是钻探工程中的重要环节，随着钻探深度与难度的逐渐增大，该项技术在保证安全、优质、快速钻探中起着越来越重要的作用。处理剂是用于改善和稳定钻井液性能，或为满足钻井液某种需要而加入的化学添加剂，它是钻井液的核心组分，往往加量很少就能对钻井液性能产生极大的影响。

经有关单位证实，一些野生植物材料如瓜尔豆、田菁粉、香叶粉、榆树皮、葫芦巴、雷公蒿叶和魔芋粉等，经过一定的加工处理后，可以作为钻井液处理剂和压裂液凝胶材料。野生植物胶是从植物的树皮、叶或根中提取出来的，植物胶粘液包含各种不同的多糖，是由各种单糖组成的中性或酸性、线型或支链型高分子化合物。其分子量变化大，这与所取植物的组织部位、生长年龄和环境有关。单糖是不能水解成更简单的多羟基醛（或酮）的碳水化合物。多糖一般由100～300个单糖单元组成，水解后每个分子能生成由10个以上单糖分子组成的碳水化合物。由于植物胶粘液的高分子链上含有多个羟基（—OH），因此它的吸附能力很强，容易吸附在固体表面或井壁岩石表面上形成一层高分子膜（溶剂水化膜），对井壁起到很好的保护作用，如钻井液中所使用的瓜尔胶、田菁胶、香叶粉、钻井粉、魔芋胶、PW植物胶等均属此类。

美国大西洋炼油公司1957年提交、1962年注册的专利首次提出用瓜尔胶（guar gum）作为压裂液凝胶材料，并提出以硼化物作交联剂，其优点是滤失量小，悬浮能力强，用量少和成本低。瓜尔胶是一种天然高聚物。它由瓜尔植物种子——瓜尔豆中提取。瓜尔豆中的胶体含量可达40%。瓜尔豆，又名胍胶豆，原产印巴次大陆西部，世界各地栽培甚广，已有数百年栽培历史，为一年生草本植物，是一种用途广泛的工业原料，其种子胚乳含瓜尔胶。瓜尔胶原粉在常温下的水合物可分为水溶性和水不溶性两部分，水溶性部分主要是半乳甘露聚糖，是工业使用的有效部分，水不溶性部分主要是分子量较大的半乳甘露聚糖、粗纤维和蛋白质等。瓜尔胶主要用于石油开采业，用来配制成水基压裂液，增稠能力强，热稳定性好，抗生物降解，能增加含油地层的渗透性，对提高石油产量有明显效果。此外，瓜尔胶也广泛应用在造纸、纺织、食品、香料、药物及矿冶工业领域。

我国自20世纪60年代起使用香叶粉，70年代起使用钻井粉，70年代末使用魔芋作为化学处理剂。近年来已采用海藻胶水基钻井液、决明子水基钻井液、皂荚胶水基钻井液、葫芦巴（又名香豆子）水基钻井液。此外，还广泛采用含半乳甘露糖类植物胶作增粘剂、降滤失剂。

魔芋（konjac），也叫蒟蒻，为天南星科魔芋属多年生草本植物，亦称花赶莲、南星、麻芋子、花伞把等。全球大约有130个野生品种，我国是世界上魔芋的主产国，魔芋在我国的栽培史已有近2000年，资源十分丰富，主产于长江流域及西南、西北的四川、云南、贵州、湖北、湖南、陕西、安徽等地。将魔芋块基去皮、切片、晒干或烘干、磨粉、过筛、去渣皮和粗纤维，即得魔芋粉。魔芋粉具有增稠、膨胀、润滑、悬浮、乳化等特性，已被广泛应用于食品、纺织、医药、地质、造纸和建筑等多个领域。在石油和地质勘探行业中，魔芋粉已用作钻井液处理剂和油气水力压裂液胶凝剂，其实验性应用也取得显著的成果。

阿拉伯树胶是一种很重要的植物胶，很早就用作粘结剂和增稠剂。它是从豆科植物的某些部分中提取出来的，溶于水，可用乙醇来沉淀提纯。

SM植物胶冲洗液，是国家电力公司成都勘测设计研究院“六五”国家重点科技攻关的科研成果。SM植物胶是用植物根茎加工成的粉末，其主要成分是半乳糖、甘露聚糖和木质纤维素等物质，与水溶成半透明的棕红色胶体。SM植物胶作为冲洗液材料，既可直接配制成无固相冲洗液，又可以作为一种优良的增粘、降失水及提高润滑减阻作用的泥浆处理剂，还可以用来配制成低固相泥浆，适用于不同的复杂地层。该院从1990年开始使用SM植物胶低固相冲洗液工艺技术，十余年来，先后在小关子电站、理县电站、紫坪铺水库地震孔、清平水库、大桥水库、天龙湖电站等近20个大、中型水利工程中进行推广应用，取得了较好的效果，特别是在天龙湖电站中，用SM植物胶技术成功地钻进了120m的深厚覆盖层。(www.xing528.com)

胡芦巴、野皂荚、塔拉和白芨是我国具有重大经济价值的特种植物胶资源。从前3种豆科植物的种子中分离制得半乳甘露聚糖胶，从白芨假鳞茎中则可获得丰富的葡甘聚糖胶。半乳甘露聚糖胶因其独特的流变性，而被广泛用作增稠剂、稳定剂、粘合剂、胶凝剂、浮选剂、絮凝剂、分散剂等，并应用于石油钻采、食品医药、纺织印染、采矿选矿、兵工炸药、日化陶瓷、建筑涂料、木材加工、造纸、农药等行业。2001年，胡芦巴、野皂荚、塔拉和白芨4种具有重要用途的特种植物胶资源高效利用和产业化技术作为国家“十五”科技攻关重点项目“特产资源高效利用与产业化技术”的课题“特种植物胶资源高效利用与产业化”（2001BA502B03）立项研究。

早在20世纪40年代，国外有人发现亚麻籽表面有一层胶状物，并对其进行了提取和初步研究，随后国内外陆续有人在这方面进行过研究，并有文献报道。人们发现该胶状物主要是多糖类化合物，分子量一般为12 000～14 000，在实验室制备出的胶样有液态和粉状两种。液态胶呈浅色透明状，一般情况下粘度在5 000～10 000mPa·s之间，在液态胶中添加某些有机溶剂或盐类可使胶液发生沉淀。而干胶粉呈淡黄色粉末状，无毒、无异味，密度在0.4～0.8g／cm³之间，不溶于油和大多数有机溶剂，可与水形成淡黄色胶粘溶液，人们把这种胶称为亚麻籽胶或富兰克胶（flaxseed gum）。把亚麻籽胶和在食品和其他工业中所用的植物胶，如卡拉胶、瓜尔豆胶、果胶、海藻胶等相对比，研究人员发现在许多方面与上述植物胶有可比性，在某些方面更具有独特的性质。正是亚麻胶的这些特性，为其在食品、制药、生化等许多工业领域的应用提供了广阔的前景，如在石油天然气开采中，可作为井壁防坍塌剂使用。

由原成都地质学院泥浆研究室与中国科学院成都生物研究所植被室共同研制成功的PW植物胶，增粘、降滤失效果强，并对泥页岩水化膨胀具有良好的抑制作用，在生产实践中取得了良好的效果。

成都理工大学环境与土木工程学院开发的QM植物胶属多年生草本植物，有主根或主根不明显，根部呈纺锤状或细长圆锥状，簇生多弯，表面呈棕褐色或灰棕色，新鲜断面有粘滑感；干品呈浅红褐色，大约含多糖60%、蛋白质23%、脂肪5%。

槐豆胶（sophora bean gum）是从豆科多年生植物国槐（sophora japonica L.）种子胚乳中提取出的一种多糖胶，主要成分是半乳甘露聚糖，半乳甘露聚糖是以β－D－1－4甙键连接的甘露糖为主链的骨架，在某些甘露糖基的1～6位上连接一个α－D－吡喃半乳糖。可作为增稠剂、凝胶剂、悬浮剂、胶粘剂等广泛应用于食品、石油、医药、纺织、造纸、煤矿、炸药等行业。国槐是北京、兰州、西安、郑州、太原等市的市树，我国华北、西北等地普遍种植，资源丰富，但至今未被开发利用而造成资源浪费。

田菁（sesbania）原产于低纬度热带和亚热带沿海地区，为灌木状草本植物，耐盐，耐涝，是优良的改良土壤绿肥植物。它的适应范围很广，在我国大部分地区都能种植生长，特别是在沿海地区产量很大。田菁胶（sesbania gum）来源于田菁种子的内胶乳，其主要化学组成是半乳甘露聚糖，分子量为2×10⁵左右。它已被应用于石油和地质勘探钻井等方面，田菁胶作为水基压裂液增稠剂已成功应用于采油业。

上述野生植物胶类处理剂存在的主要问题是：它们大多取自植物的根（茎）或皮，对植物本身破坏大，生长周期长，采集困难，无法满足日益增长的钻探工程的技术需求；近年来，国家越来越重视对环境的保护，并制定了相应的法律、法规来保护植被使其免遭破坏；目前已开发和利用种类和数量仍较少，野生植物胶资源开发和利用仍处于较低的水平。因此，研制开发新型野生植物胶资源是一项很有应用前景的研究课题。